信號(hào)完整性分析：無(wú)線信號(hào)(三)掃描頻譜分析儀

《信號(hào)完整性 - 工程師的同伴》一書(shū)的第10章討論了在現(xiàn)代無(wú)線環(huán)境中的無(wú)線信號(hào)測(cè)量和可能有些激進(jìn)的信號(hào)分析的新技術(shù)。第二部分覆蓋了頻率測(cè)量。

掃描頻譜分析儀

傳統(tǒng)架構(gòu)的掃描式、超外差頻譜分析儀在幾十年前讓工程師們首次能夠?qū)︻l域進(jìn)行測(cè)量。曾經(jīng)的掃描頻譜分析儀(SA)采用純粹的模擬器件打早，并迅速取得了成就。目前的新一代掃描頻譜分析儀采用了高性能的數(shù)字基礎(chǔ)架構(gòu)，包括ADC，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，和微控制器。然而，掃描原理的基礎(chǔ)是相同的，而且該儀器保持了其作為基礎(chǔ)的RF信號(hào)測(cè)量工具的地位。新一代SA的突出優(yōu)點(diǎn)是具備優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)范圍，因此能捕獲和探測(cè)一個(gè)寬范圍的RF信號(hào)。

通過(guò)將信號(hào)需要的頻點(diǎn)進(jìn)行下變頻并通過(guò)RBW濾波器在帶寬范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，功率-頻率的測(cè)量就可以實(shí)現(xiàn)了。RBW濾波器后面跟一個(gè)檢波器用于計(jì)算通帶內(nèi)每個(gè)頻點(diǎn)的幅度值，如圖10-3所示。

圖10-3

圖10-3顯示了頻率分辨率和時(shí)間之間平衡的測(cè)試。本地振蕩器提供一個(gè)“掃描”的頻率到混頻器，每次掃描在混頻器輸出提供一個(gè)不同的頻率和其對(duì)應(yīng)的數(shù)值。分辨率濾波器被設(shè)定在一個(gè)用戶可選的頻率范圍，也就是分辨率帶寬(RBW)。濾波器帶寬越窄，測(cè)量?jī)x器的分辨率就越高，對(duì)儀器噪聲的排除也越好。RBW濾波器的后面跟上一個(gè)檢測(cè)器，來(lái)測(cè)量瞬時(shí)每個(gè)頻率數(shù)值的頻率功率大小。因?yàn)檫@種方法可以提供較高的動(dòng)態(tài)范圍，它的主要優(yōu)點(diǎn)是可以計(jì)算某個(gè)時(shí)間點(diǎn)一個(gè)頻點(diǎn)的幅度值。如果RBW濾波器被設(shè)計(jì)得太窄，對(duì)RF輸入完成一次掃描時(shí)間會(huì)花費(fèi)較長(zhǎng)，從而輸入的RF信號(hào)的一些變化就探測(cè)不出來(lái)。在一段頻域或幾個(gè)通帶內(nèi)掃描會(huì)花費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間，該測(cè)試技術(shù)的前提是假設(shè)在進(jìn)行多次掃描的這段測(cè)試時(shí)間內(nèi)信號(hào)不會(huì)有顯著的變化，因此，一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的、不變的輸入信號(hào)是必須的。如果信號(hào)頻繁的改變，也許就得不出結(jié)果。

比如說(shuō)，圖10-4的左面的圖顯示了一個(gè)RBW邏輯分析儀測(cè)試的結(jié)果，頻率最開(kāi)始是Fa，而在一瞬間頻率變成了Fb。當(dāng)掃描到達(dá)Fb時(shí)，信號(hào)已經(jīng)消失且測(cè)不到了，所以RBW頻譜分析儀的掃描沒(méi)法在Fb時(shí)提供觸發(fā)，因而沒(méi)能存儲(chǔ)一個(gè)時(shí)間段內(nèi)全面的信號(hào)情況。這是一個(gè)頻率分辨率和測(cè)試時(shí)間之間平衡的經(jīng)典的例子，也是RBW頻譜分析儀的致命弱點(diǎn)(Achilles' heel)。

圖10-4

然而，最新的掃描頻譜分析儀比以往傳統(tǒng)的基于模擬處理的設(shè)備要快的多，圖10-5顯示了一款現(xiàn)代的優(yōu)秀掃描頻譜分析儀的架構(gòu)。傳統(tǒng)模擬RBW濾波器得到了數(shù)字增強(qiáng)，以促進(jìn)快速和精確的窄帶濾波。然而，ADC之前的濾波器、混頻器和放大器都是進(jìn)行模擬處理，特別是，需要考慮ADC中的非線性和噪聲。因此模擬頻譜分析儀還有一席之地，它可以避免上述問(wèn)題。

圖10-5

Geoff Lawday博士是泰克公司在英國(guó)Buckinghamshire New University的教授，他在泰克實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行信號(hào)完整性設(shè)計(jì)和高性能總線系統(tǒng)的教學(xué)，并在歐洲負(fù)責(zé)泰克公司信號(hào)完整性的研討會(huì)。

David Ireland是泰克公司在歐洲和亞洲的設(shè)計(jì)和制造市場(chǎng)經(jīng)理，在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域有超過(guò)30年的工作經(jīng)驗(yàn)，在領(lǐng)先的技術(shù)期刊上定期發(fā)表信號(hào)完整性的文章。

Greg Edlund是IBM全球工程解決方案部的高級(jí)工程師，曾參與十個(gè)高性能計(jì)算平臺(tái)的開(kāi)發(fā)和測(cè)試，他著有Timing Analysis and Simulation for Signal Integrity Engineers一書(shū)。